Thermal and hydraulic performance of the cross corrugated heat transfer surface for compact heat exchangers

Piotr Mazgaj

Abstract

A compact heat exchanger is a heat exchanger whose surface area density β is above 700 m2/m3 on at least one side of the fluid sides which typically has gas flow. Surface area density β is the ratio of the heat transfer surface of the heat exchanger to its volume. Compact heat exchangers are designed to achieve extremely high overall heat transfer coefficients and thus require a great knowledge of engineer to be properly designed. Having the high heat transfer rate we can easily reduce mass and size, and the same time obtaining the same performance. In the bachelor thesis a cross corrugated surface for compact heat exchanger is considered. From many surface candidates, cross corrugated plates has been identified as one of the best . The computational analysis is applied to compare thermal and hydraulic performance of cross corrugated geometries. For CFD package, FLUENT is chosen as one of the most suitable for the considered model. Due to the complex geometry, the unstructured tetrahedral mesh is created by using GAMBIT preprocessor. A series meshes for different geometrical parameters is created. To analyze the performance of each surface formulas for the equivalent friction coefficient and the average Nusselt number are introduced. The increase of the corrugation angle has the biggest impact on the pressure loss and the heat transfer rate. The increase of the corrugation angle for the surface P/Hi=3 by 30° resulted in the 45% increase of the average Nusselt number and 350% increase of the equivalent friction coefficient. The numerical results are compared with the most relevant data from the literature. They show that analysis of the different cross corrugated geometry is satisfactory. An example of application in a microturbine for power application. The efforts are put to enhance the heat transfer rate and therefore reduce the mass.
Diploma typeEngineer's / Bachelor of Science
Diploma typeEngineer's thesis
Author Piotr Mazgaj (FPAE)
Piotr Mazgaj,,
- Faculty of Power and Aeronautical Engineering
Title in PolishParametry pracy kompaktowego krzyżowego wymiennika ciepła z powierzchniami falistymi
Supervisor Roman Domański (FPAE / IHE)
Roman Domański,,
- The Institute of Heat Engineering

Certifying unitFaculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unitThe Institute of Heat Engineering (FPAE / IHE)
Study subject / specialization, Lotnictwo i Kosmonautyka
Languageen angielski
StatusFinished
Defense Date26-03-2008
Issue date (year)2008
Pages65
Internal identifierMEL; PD-571
Reviewers Roman Domański (FPAE / IHE)
Roman Domański,,
- The Institute of Heat Engineering
, Tomasz Wiśniewski (FPAE / IHE)
Tomasz Wiśniewski,,
- The Institute of Heat Engineering
Keywords in Polishprzewodnictwo cieplne, krzyżowy wymiennik ciepła, strumień ciepła, współczynnik przejmowania ciepła, powierzchnie faliste
Keywords in Englishcompact heat exchanger, cross corrugated surface, thermal and hydraulic analysis,
Abstract in PolishKompaktowy wymiennik ciepła to taki, w którym stosunek powierzchni na której zachodzi wymiana ciepła do całkowitej objętości wymiennika, oznaczany przez β, jest wyższy niż 700. Kompaktowe wymienniki ciepła są projektowane, aby osiągnąć bardzo wysokie współczynniki przenikania ciepła i wymagają obszernej wiedzy do prawidłowego zaprojektowania. Mając wysoki współczynnik wymiany w łatwy sposób możliwa jest redukcja wymiarów, masy przy zachowanie tej samej wydajności wymiennika. W pracy inżynierskiej rozważane są krzyżująco-faliste (cross corrugated) powierzchnie dla płytowych kompaktowych wymienników ciepła. Spośród wielu powierzchni, to one zostały wybrane jako najlepsze. Obliczeniowa analiza ma na celu porównanie termicznych i hydraulicznych parametrów krzyżująco-falistych powierzchni. Do obliczeń numerycznych wybrany jest pakiet FLUENT jako najbardziej odpowiadający rozważanym przypadkom. Z powodu skomplikowanej geometrii wygenerowana jest niestrukturalna, czworościanowa siatka przez program siatkujący GAMBIT. Stworzona jest seria siatek dla różnych geometrii. W celu zbadania parametrów każdej badanej powierzchni wprowadzone są związki określające współczynnik oporu tarcia i uśrednioną liczbę Nusselta. Wzrost kąta skrzyżowania ma największy wpływ na stratę ciśnienia i transport ciepła. Wzrost kąta dla powierzchni o stosunku P/Hi=3 o 30° powoduję wzrost uśrednionej liczby Nusselta o 45% i wzrost współczynnika oporu tarcia o 350%. Następnie numeryczne wyniki są porównane z najbardziej im odpowiadającymi danymi eksperymentalnymi zawartymi w literaturze. Pokazują one, że analiza krzyżującofalistych powierzchni jest wystarczająco poprawna i może posłużyć jako pierwszy etap projektowania wymiennika ciepła wykorzystującego badane powierzchnie. Pokazana jest wizualizacja zjawisk zachodzących w czasie wymiany ciepła i przepływu. Zaproponowany jest przykład pokazujący zastosowanie badanych powierzchni w mikroturbinie do generacji prądu jako odzyskiwacz ciepła ze spalin. Nacisk położono na intensyfikację wymiany ciepła, redukcję spadku ciśnienia, redukcję masy i wymiarów.
File
Praca.pdf 12.08 MB

Get link to the record

Back
Confirmation
Are you sure?